一种高分辨率影像的镶嵌处理方法与流程

本发明属于遥感影像处理技术领域，具体涉及一种高分辨率影像的镶嵌处理方法。

背景技术

在遥感影像处理中为了获取更大范围、更为完整的影像数据，需将多幅(景)遥感图像进行拼接处理，在这个过程中，影像镶嵌是最为关键的一步。遥感影像数据镶嵌处理是将两幅或多幅遥感影像数据按照镶嵌规则拼接形成整体遥感影像数据的技术过程。由于遥感影像数据源采用航空、航天遥感等不同方式获取，成像方法和数据特征均有很大不同，因此对数据源进行裁剪、去重、融合过程中需要制定适合的镶嵌规则，尽量避免出现因灰度或颜色差异而产生的拼接缝，减少因不同成像条件产生的影像投影差与变形。

目前高分辨率数字正射影像数据(dom)生产主要采用数字摄影测量系统进行。采用数字摄影测量系统生产航空正射影像数据时，影响影像数据成果精度的主要因素包括航摄相机性能、航摄比例尺、航摄质量、航片扫描质量、控制点精度、dem的平面精度等。常规航空数字摄影测量法生产流程如图1所示，由于在航空影像获取过程中的各种环境因素不同，使得每条航带里面的影像和航带间相互重叠、连接的影像存在色差、亮度差、构筑物投影差等多方面不同程度的差异。因此在生产正射影像数据中需要用专业化的遥感影像处理软件来对影像数据进行处理，特别是在影像镶嵌处理环节，由于镶嵌线的计算不合理，常常会导致大量的手工镶嵌处理作业，极大影响了镶嵌处理效率。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是一种高分辨率影像的镶嵌处理方法，利用道路、地理国情覆盖数据，编写算法实现遥感影像镶嵌线自动计算、影像自动裁切与拼接、标准分幅影像制作等自动化处理流程。本文研究的影像数据源主要是影像分辨率优于20公分的高分辨率影像数据。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种高分辨率影像的镶嵌处理方法，利用航摄区范围内的交通道路地理实体数据作为区域整体镶嵌线的骨架，结合地表覆盖数据叠加相幅面数据进行重叠边缘计算，获取相幅重叠边缘区相交的完整地表覆盖地理实体数据，在保证地理实体完整性的情况下对相幅面进行拓扑重构计算，并将计算结果与区域道路骨架线再次进行拓扑运算，得到最小分割区域作为图斑成果数据，最后对重复图斑数据进行像主点距离判断，取舍最小距离图斑，从而消除重复图斑数据，最终计算得到覆盖全航摄区的镶嵌分割小图斑数据。

所述的高分辨率影像的镶嵌处理方法，包括以下步骤：

1)获取航摄相机参数和航线航带信息；

2)生成单片相幅面图形信息；

3)利用航摄区范围内的交通道路地理实体数据作为区域整体镶嵌线的骨架，结合地表覆盖数据叠加相幅面数据进行重叠边缘计算，获取相幅重叠边缘区相交的完整地表覆盖地理实体数据；

4)拓扑计算后进行构面处理：

当拓扑面没有出现一个完整的地理实体对象时，关联相幅边线检索、航摄区地表覆盖地理实体，进入步骤3)运算；

当拓扑面中出现完整地理实体对象，且不同相幅面与同一地理实体构出了唯一完整面，输出镶嵌线构面成果数据；不同相幅面与同一地理实体构出了多个完整面，进行像主点与地理实体距离计算，选距离最短、投影差最小的构面数据，输出镶嵌线构面成果数据。

步骤3)中，重叠边缘计算获取相幅重叠边缘区相交的完整地表覆盖范围数据的具体过程为：

(1)按照id号由小到大的顺序从道路、河流地理实体数据构成的骨架的多边形集合x中每次选择1个多边形b，再按照单片相幅面的多边形集合y的id号顺序由大到小每次选择1个多边形a1，先判断多边形b是否完全包含在多边形a1内；如果包含，将a1记录到完全包含b的多边形集合ab1中，如果不包含，则判断多边形b与多边形a1是否相交，如果相交，将a1记录到与b相交的多边形集合bb1中，如果既不包含也不相交，判断结束；按照id顺序选择多边形集合y中下一个多边形a2，继续判断包含或者相交，直到多边形集合y中的所有多边形遍历完成，得到与多边形b有包含关系或者相交关系的多边形的集合ab1与集合bb1；按照id由小到大的顺序从多边形集合x中选择下一个多边形b2，继续遍历判断b2与多边形集合y中的所有多边形的关系，得到相应的集合ab2与集合bb2；按照id号由小到大的顺序逐个判断完集合x中所有的多边形，直至得到多边形集合abn与bbn；

(2)按照步骤(1)得到的集合ab{ab1、ab2、......abn}，从由小到大的id顺序依次取出ab1、ab1......abn集合，判断ab1中的多边形记录值与1的大小关系；如果等于1，则得到唯一包含多边形b的相幅an，即相幅包含的唯一完整地表覆盖范围，记入多边形集合p1，其对应的相幅记入多边形集合p2；如果大于1，则按照记录id由大到小的顺序每次从集合abn中取1个多边形，分别计算其对应的像主点与多边形b1的平面几何中心点距离集合s，按照排序取min{s}对应的相幅an，同时记录对应多边形b，此时完全包含条件下的裁切线就是多边形b的范围，其对应的相幅就是min{s}，即an。

步骤4)中，将计算结果与区域道路骨架线再次进行拓扑运算的具体过程为：

(1)按照id由小到大的顺序遍历集合{bb1、bb2、......bbn}中的多边形，逐一计算与b1的交集，从而得到新的多边形集合{bb11、bb21、......bbn1}，取集合{bb11、bb21、......bbn1}中面积最大且唯一多边形记为maxareapolygon；

(2)取地理国情图斑数据，逐一与多边形maxareapolygon计算包含关系，得到所有包含在多边形maxareapolygon内部的图斑多边形数据，重新合并组成新的多边形tub；

(3)将多边形tub按照第3条中步骤(1)、步骤(2)的方法计算，得到tub相应的唯一包含相幅an，即相幅重叠包含的唯一完整地表覆盖范围，此时将tub记入多边形集合p1，其对应相幅记入多边形集合p2；

(4)运算到ab1中的多边形记录值为1，即所有多边形tubn与相幅都是包含关系结束；此时得到最终多边形集合p1与p2。

步骤5)中，像主点与地理实体距离计算的具体过程为：

(1)计算地理实体几何中心点point_a；

(2)采用空间距离计算公式计算像主点point_b与point_a的空间距离；空间距离计算公式为：

有益效果：与现有技术相比，本发明的高分辨率影像的镶嵌处理方法，针对航空正摄影像数据镶嵌处理环节进行了研究，在充分考虑数据源的成像方式和特征的情况下，利用航摄区道路与地表覆盖地理实体数据，使用镶嵌线生成算法，将航带航向、像幅、像主点、地理实体等参数作为影像重叠区数据取舍的依据，在确保投影变形最小的情况下实现影像镶嵌的自动化处理；本发明通过大范围航空影像数据进行实际试验，结果表明本发明的方法具有较好的数据处理效果，方法简单且易于实现，重点应用可在高分辨率(优于20公分)航空影像镶嵌处理中推广。

附图说明

图1是现有的空数字摄影测量法生产流程图；

图2是利用航摄参数和地理实体计算镶嵌线的算法流程图；

图3是影像单片面重叠情况图；

图4是影像单片面与道路、地表覆盖地理实体数据拓扑计算完成后的图斑成果图；

图5是利用图斑成果自动裁切、镶嵌后的正摄影像成果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

1、影像镶嵌、裁切处理环节改进

本实施例使用的影像数据源主要是大范围、海量数据量的高分辨率航空影像数据，单个影像文件较大，不可能一次拼成一整幅图像。在使用专业遥感信息处理软件进行拼接镶嵌时，由于影像分辨率高，自动提取的影像特征难以用来生成合理的影像镶嵌裁切线。此外，如果采用手工方式来绘制镶嵌裁切线，由于数据范围大、文件量大，想要达到无缝镶嵌，必须尽量细分处理，采用先局部后整体的办法，但是这就大大增加了影像镶嵌的工作量，也很难达到高效率作业。

针对如何优化减少影像镶嵌的工作量的需求，本申请依据航空遥感影像数据源的成像方式和特征。充分考虑航空遥感影像获取时航高、像幅、焦距等参数的影响，利用航摄区范围内的交通路网、地表覆盖等地理实体数据，并结合航线、航带、像幅、像主点等数据，创造出镶嵌裁切线自动计算方法，实现影像镶嵌裁切线的自动计算与生成。计算时需将像幅覆盖范围、重叠情况、实体大小和边线特征、距离像主点的距离等参数设置为影像重叠区域的取舍依据，使得统一地理实体对象的影像，尽可能取自同一张遥感影像。

2、影像镶嵌线算法规则实现

在同航带影像单片之间、航线之间影像镶嵌时，由于影像投影差等问题，经常会遇到主要路面被高大构筑物遮盖、高架桥接边等多种情况。传统作业方法需要人工大量采集合理镶嵌线的处理，主要采集原则如下：

1)镶嵌线应尽量沿着地表上的线状地物采集(如地表分类界线、田埂线、路边线等)，这样就算有明显分界线也能在后期采用专业影像处理软件中进行有效处理；

2)镶嵌线应尽量绕过山地和房子，沿交通道路中心线或则边线走，必须避让高大建筑物，减少高大建筑物对其它地物实体的遮挡，尽可能保存更多地面信息。防止dom拼接时出现房屋对倒或相互挤压的矛盾现象；

3)镶嵌线应尽可能避开影像中的重要地物，以确保重要地物在空间上的完整性；

4)镶嵌线应尽量利用直线方式采集，避免选取小角度折线采集，达到近似直线的平滑曲线效果最佳；

5)镶嵌线采集选择好后，需选择10至30个像素的裁切外廓区进行影像羽化值拼接过。

基于以上镶嵌线采集原则，本实施例利用航摄区范围内的交通道路地理实体数据作为区域整体镶嵌线的骨架，结合地表覆盖数据叠加相幅面数据进行重叠边缘计算，获取相幅重叠边缘区相交的完整地表覆盖地理实体数据，在保证地理实体完整性的情况下对相幅面进行拓扑重构计算，并将计算结果与区域道路骨架线再次进行拓扑运算，得到最小分割区域作为图斑成果数据，最后对重复图斑数据进行像主点距离判断，取舍最小距离图斑，从而消除重复图斑数据，最终计算得到覆盖全航摄区的镶嵌分割小图斑数据。这些图斑数据将作为裁切、镶嵌依据，对完成单片微分纠正的正摄影像数据进行自动化分割、拼接处理。

具体算法实现流程如图2所示，步骤如下：

1)航摄相机参数、航线航带信息，

2)生成单片相幅面图形信息

3)利用航摄区范围内的交通道路地理实体数据作为区域整体镶嵌线的骨架，结合地表覆盖数据叠加相幅面数据进行重叠边缘计算，获取相幅重叠边缘区相交的完整地表覆盖地理实体数据；具体过程为：

(1)按照id号由小到大的顺序从道路、河流地理实体数据(来源于基础测绘数据库，公众可得)构成的骨架(多边形集合x)中每次选择1个多边形b，再按照单片相幅面(多边形集合y)的id号顺序由大到小每次选择1个多边形a1，先判断多边形b是否完全包含在多边形a1内；如果包含，将a1记录到完全包含b的多边形集合ab1中，如果不包含，则判断多边形b与多边形a1是否相交，如果相交，将a1记录到与b相交的多边形集合bb1中，如果既不包含也不相交，判断结束。按照id顺序选择多边形集合y中下一个多边形a2，继续判断包含或者相交，直到多边形集合y中的所有多边形遍历完成，得到与多边形b有包含关系或者相交关系的多边形的集合ab1与集合bb1。按照id由小到大的顺序从多边形集合x中选择下一个个多边形b2，继续遍历判断b2与多边形集合y中的所有多边形的关系，得到相应的集合ab2与集合bb2。按照id号由小到大的顺序逐个判断完集合x中所有的多边形，直至得到多边形集合abn与bbn。

(2)按照步骤(1)得到的集合ab{ab1、ab2、......abn}，从由小到大的id顺序依次取出ab1、ab1......abn集合，判断ab1中的多边形记录值与1的大小关系(集合ab中每个子集abn的记录值必然大于等于1)。如果等于1，则得到唯一包含多边形b的相幅an，即相幅包含的唯一完整地表覆盖范围，记入多边形集合p1，其对应的相幅记入多边形集合p2。如果大于1，则按照记录id由大到小的顺序每次从集合abn中取1个多边形，分别计算其对应的像主点(相幅原始资料，空间坐标x、y、z)与多边形b1的平面几何中心点距离集合s，按照排序取min{s}对应的相幅an，同时记录对应多边形b，此时完全包含条件下的裁切线就是多边形b的范围，其对应的相幅就是min{s}，即an。

4)在保证地理实体完整性的情况下对相幅面进行拓扑重构计算，具体过程为：

(1)按照id由小到大的顺序遍历集合{bb1、bb2、......bbn}中的多边形，逐一计算与b1的交集，从而得到新的多边形集合{bb11、bb21、......bbn1}，取集合{bb11、bb21、......bbn1}中面积最大且唯一多边形记为maxareapolygon。

(2)取地理国情图斑数据(数据来源为地理国情数据库)，逐一与多边形maxareapolygon计算包含关系，得到所有包含在多边形maxareapolygon内部的图斑多边形数据，重新合并组成新的多边形tub。

(3)将多边形tub按照第3条中步骤(1)、步骤(2)的方法计算，得到tub相应的唯一包含相幅an，即相幅重叠包含的唯一完整地表覆盖范围，此时将tub记入多边形集合p1，其对应相幅记入多边形集合p2。

(4)运算到ab1中的多边形记录值为1，即所有多边形tubn与相幅都是包含关系结束。此时得到最终多边形集合p1与p2。

并将计算结果与区域道路骨架线再次进行拓扑运算，再次进行拓扑计算的具体过程同拓扑重构计算，得到最小分割区域作为图斑成果数据。

5)拓扑计算后进行构面处理：当拓扑面没有出现一个完整的地理实体对象，关联相幅边线检索、航摄区地表覆盖地理实体、加入运算，进入步骤3)运算；当拓扑面中出现完整地理实体对象，且不同相幅面与同一地理实体构出了唯一完整面，镶嵌线构面成果数据；不同相幅面与同一地理实体构出了多个完整面，进行像主点与地理实体距离计算选距离最短、投影差最小的构面数据，输出镶嵌线构面成果数据；其中，像主点与地理实体距离计算的具体过程：

(1)计算地理实体几何中心点point_a；

(2)采用空间距离计算公式计算像主点point_b与point_a的空间距离。空间距离计算公式为：

式中，x、y、z分别定义为坐标值，单位m。

实施例2

采用实施例1的方法，进行实地试验，具体如下：

本实施例试验数据是利用dmcii230-028数字航摄仪(焦距92mm，相幅15552*14144)获取的江阴市全域覆盖的10公分高分辨率影像数据，试验开始之前已完成了对所有影像数据的dem单片微分纠正，同时完成了所有单片影像的匀光匀色处理处理，得到了可以开展试验的数据基础。

试验准备阶段首先对收集的江阴市道路地理实体对象进行了处理，确保路网数据的现时性要求，并完成了对路网、国情地表覆盖数据、影像单片数据的坐标系统一；所有标准分幅图廓与像幅面的生成工作。所有前期数据准备工作完成后，利用实施例2的算法，导入相机参数、各类数据进行综合计算，得到了覆盖全江阴市的镶嵌图斑成果数据。

最后为了验证图斑数据的合理性，利用这些图斑数据进行单片自动化裁切、拼接、羽化处理，得到了标准1∶2000正摄影像图(dom)数据，结果如图3-图5所示，图3为影像单片面重叠情况，图4为影像单片面与道路、地表覆盖地理实体数据拓扑计算完成后的图斑成果，图5为利用图斑成果自动裁切、镶嵌后的正摄影像成果，试验达到了预期试验效果。

可见该方法，完全能够满足高分辨率航空正摄影像单片数据的自动化裁切、镶嵌处理。数据质量能够满足大比例尺标准分幅正摄影像数据的生产技术标准。